RM机器人仿真训练平台

申报人：梁金满申报日期：2024-05-31

基本情况

所属批次:

2024年批次

项目名称:

RM机器人仿真训练平台学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

计算机类

项目来源名称:

学生自主选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

RM机器人仿真训练平台是一款基于UE5引擎研发的用于机器人操作仿真的模拟器。利用UE5实现对机器人的操控模拟，能提高操作手的机器人操控本领。本项目使用先进的图形化技术建设与局域网技术，提供实时对战训练，专门为军用以及竞赛机器人提供虚拟训练场地，能为无人化、信息化作战提供模拟训练场，为培训机器人操作手提供数字化场地训练，减少训练过程中的人力开支与场地成本，助力现代化无人机产业与机器人产业的创新性发展。

负责人曾经参与科研的情况:

（1）参与大疆举办的RoboMaster全国大学生机甲大师赛（负责其中机器人视觉识别模块研发，抗干扰识别算法研究）

（2）对宇树机器狗的控制程序编写以完成特定的竞赛任务

（3）对博雅工道提供的机器鱼进行寻路算法设计以完成竞赛

（4）独立研发一款基于UE5的关于中华数学文化数媒交互游戏

指导教师承担科研课题情况:

·2项进行中的国家自然科学基金主要参与人

·主持进行中的国家自然科学基金1项

·主持国家自然科学基金1项并结题

·主持重点实验室开放基金并结题1项

·主持广西中青年教师基础能力提升项目并结题

·主持广西重点研发计划1项

指导教师对本项目的支持情况:

指导老师对本项目的具体开展给予全程指导和帮助，包括研究思路、研究内容、测试安排、技术咨询、方案设计、论文撰写等。

指导老师可在每周六周日提供理论及技术指导以及相应的平台支持。

项目级别:

国家级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	梁金满	计算机科学与工程学院	计算机科学与技术（应用）	2021	框架搭建与程序主体开发	第一主持人
2	何晓婷	计算机科学与工程学院	计算机科学与技术（应用）	2022	进度跟踪及辅助测试	成员
3	覃柯童	计算机科学与工程学院	计算机科学与技术（应用）	2022	程序界面开发UMG控件等	成员
4	薛海荣	计算机科学与工程学院	人工智能	2022	三维建模与设计	成员
5	张家伟	计算机科学与工程学院	计算机科学与技术（应用）	2022	功能模块设计	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	梁世华	计算机科学与工程学院	否	第一指导教师
2	敬超	计算机科学与工程学院	否	指导教师

立项依据

研究目的:

随着近年来信息化产业与无人作业的发展，机器人在实际搜救行动、军事、测绘等方面的作用愈发突出，以俄乌冲突中的FPV无人机为例，使用很小的代价就可以给敌方造成巨大的人员伤亡，再者在电力巡检中，四足机器人能代替人在高危环境中作业，搭载的高精度传感器能为无人化巡检提供解决方案。但是不论是为了抗震救灾还是军事或者民用，当下的AI发展程度还不能完全替代人类，在这些场景下，AI存在着无法准确判断与自主行动的问题，应对突发情况也无能为力。因此大部分都还是使用人去操控机器人。但是随着我国耕地红线的不断逼近，大面积的训练场很难在实际中找到，而专门的大型训练场又存在高收费和多人共同使用的缺点。对此我们需要建立一套相应的解决方案来培养机器人操控方面的人才，并解决场地少、寻找难的问题。用户只需要支付少量的使用费用就可以使用快捷、便利、优质的智能化机器人模拟操作服务。从根本上解决“无经验、无场地”等问题，真正做到“学在平台，用在实际”；从根本上助力提升我国当下的无人化产业发展，也更加有利于数据信息和生产资源的数字化再生，从而大幅提升生机器人操作训练的智能化信息化水平;有利于我国高新技术产业的发展，保障高水平高经验的机器人操作手的培养工作。

本项目致力于在机器人操控场景下搭建一款“RM机器人仿真训练平台”应用, 并融合物理学、3D仿真和网络同步等智能技术，基于UE5、模拟物理、网络协议来构建系统的结构，能够在客户端提供虚拟人机交互服务的同时还可以与不同用户之间实现互联共同训练，达到更加全面逼真的操作模拟与编排演练。

研究内容:

（1） 3D仿真功能：将机器人的通用模型用UE5进行搭建与物理逻辑的编写，创造多款不同功用的机器人以匹配不同的应用情景，通过设计其模型骨骼、贴图材质实现机器人的仿真展示。如物理碰撞、运动变化、摩擦、力矩等。

（2）场地训练功能：通过建模与编辑三维环境场地，可以模拟现实中各类不同条件下的地形环境与复杂地理。同时根据不同场景下的作业需求，搭建不同的训练场景，例如，搭建一个多人对战环境以模拟军事双方的无人化对抗演练，对于该对抗演练，会在训练的基础上增加物理弹道与夺取战略点、摧毁敌方军事目标等相关功能。

（3）多人局域网协作：将平台接入局域网功能，通过网络同步技术来实现多人共同模拟下的对抗式训练、合作式演练、共同编排项目等现实功能，极大地缩减开展相关活动所需要的人力物力以及场地成本，做到实时协作的模拟仿真。

国、内外研究现状和发展动态:

相关政策及发展现状：

2020年工业和信息化部等15部委在《关于进一步促进服务型制造发展的指导意见》中要求综合利用5G、物联网、大数据、云计算、人工智能、虚拟现实、工业互联网等新一代信息技术,建立数字化设计与虚拟仿真系统,发展个性化设计、用户参与设计、交互设计口。

2022年国务院发布《关于引发“十四五”国家应急体系规划的通知》，提到要研发重大灾害事故过程数值模拟技术;多灾种耦合模拟仿真、预测分析与评估研判技术;重大灾害事故风险智能感知与超前识别技术等关键技术。建设综合应急实训演练基地，完善室内理论教学、室外实操实训、仿真模拟救援等设施设备。

仿真模拟训练(CAE)又称模拟仿真、模拟训练。所谓仿真模拟，即是外形仿真、操作仿真、视觉感受仿真，训练系统由人、设备、运行环境三个要素构成，利用计算机仿真技术构建其中一个或多个要素而形成的训练系统，其中专业模拟训练占比最高，截至2022年其占比超过90%。近年我国计算机仿真行业模拟训练市场需求高速增长，前瞻初步统计，2022年市场规模约750亿元。

以CAE公司为代表的国外公司在模拟器市场占据垄断地位，其产品和服务包括民用飞行器、机车、军用海、陆、空战斗系统以及联合作战模拟系统等。

技术发展现状：

（1）UE5引擎：是Epic Games专为次世代的游戏、实时可视化项目以及沉浸式交互体验做的精心准备的开发工具。引入了更好的物理约束系统、更快的物理仿真速度,使得对象动画和物品行为更加真实、流畅。

（2）刚体碰撞模拟：刚体碰撞在游戏开发、机器人技术、物理模拟等领域有着广泛的应用，如用于模拟物体的运动、碰撞和反弹等物理现象。可以实现物理形体与物理形体之间产生接触时产生的物理现象与交互。

（3）网络同步技术：在有多个计算机或设备连接到同一网络时，确保这些计算机和设备的时钟精准地保持一致的过程。利用本地局域网，检索局域网内的客户端设备，可以进行多人接入，通过数据复制、网络帧同步等关键技术实现团队协作模拟以及对联机抗式操作训练。现阶段的主流网络同步方案可以在局域网内做到7ms以内的通信响应延迟。

创新点与项目特色:

创新点：

研究对象及研究方向具有特色，具有广泛的应用前景和重要的实际意义。无人机器人的产业发展日新月异，大量的操作人员涌入其中，高级操作人才需求快速增长。我们的模拟系统会建立机器人数据仿真测试的平台，不仅为普通操作员提供便捷的操作模拟服务，也能为竞赛级操作员提供虚拟训练场地，同时传播数字化工作的理念。

项目特色：

研究内容具有特色。相对于目前普遍的模拟训练软件的功能，我们在此基础上进行拓展，在提升应用层面服务的前提下，能够实现局域网环境下的多人协作，以此来更加真实地模拟多种情况下的实用性和用户便捷性，切实结合最新机器人产业，总结相关文献的理论知识，为训练平台的设计和应用提供技术支持。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

技术路线：

本项目组成员将系统的对编程语言、网络通信、物理学、虚幻引擎、三维建模专业知识进行深入学习，并对Chaos物理解算等功能组件进行深入了解并运用，构建软件的整体框架后，再根据任务需求运用不同的算法及解算方式结合三维模型进行具体的编程实现。

拟定解决的问题:

1.机器人的物理行为解算

2.复合刚体运动的模拟

3.多人联机协作的实现。

4.机器人配件参数的自定义设置

预期成果：

1.实现基本的机器人行为

2.成功模拟机器人在不同路面的运动影响

3.实现局域网联机功能

4.可以根据实际需求自定义机器人的物理参数

项目研究进度安排:

1、2024年5月14日—5月21日，资料搜集和调研、拟定项目的设计研究实现方案，填写《桂林理工大学大学生创新训练计划项目申报书》。

2、2024年6月1日—7月1日，收集资料，更进一步完善并软件需求服务体系。

3、2024年7月1日—8月1日，与指导老师讨论，对专业知识进行巩固并深入学习，最终确定软件开发具体方向和技术。

4、2024年8月1日—12月1日，测取机器人实际数据，进行软件基本功能框架的搭建。

5、2024年12月1日—2023年3月1日，进行软件基本功能的完善开发并接入局域网功能，完善机器人物理设置。

6、2025年3月1日—5月1日，调试局域网功能的问题以及优化网络同步。

7、2025年5月1日—5月28日，专利与软著申请，进行试点运用。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

与本项目有关的研究积累：

(1).在虚幻引擎的使用上，重定义了对象的重力模式与运动模拟，对物理交互的逻辑编写有着一定的经验方法，实现了一个自定义重力与自定义跟随插件。

(2).核心成员曾数次参加机器人的功能模块设计与物理弹道的解算，对运动补偿和上位机通讯等有着丰富的实践经验，对机器人构造和机器人硬件的物理参数有着足够深入的了解，十分善于将所学知识转化为实际，将构想转换为行动。这非常利于开发时对于机器人的仿真模拟功能的设计与编程实现。

已取得的成绩：

在基于UE5研究积累的基础上，利用其功能创作了一款数媒类交互游戏，作品内容与技术实现已达到该方向专业组的水平，目前已上推区赛评审中，具有进行国赛的水准。

核心成员参与的机器人工程在大疆举办的Robomaster全国大学生机器人赛事中屡获佳绩，曾在3v3高校联盟赛中，于56所大学及高校中斩获亚军，于全国赛中表现耀眼，多次获得二等与三等佳绩，可见技术实践能力之强。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

已具备的条件：

(1).有相关项目的实现基础，可以快速上手开发

(2).核心开发成员对于机器人的编程开发熟悉，对机器人的研发与控制过程非常了解，能快速建立起相关物理概念与执行框架。

(3).指导老师的大力支持，包括硬件支持，提供机器狗、机器鱼、无人机等实体设备供研究，提供技术面咨询与执行方案理论指导。

(4).团队成员所具有的技术与能力优势：

梁金满	覃柯童	张家伟	薛海荣	张晓婷
2023robomaster机甲大师超级对抗赛国三 2023robomaster机甲大师超级对抗赛哨兵组国二 2023Robomaster联盟赛团队省一 2023睿抗机器人大赛物流运输赛道省三 2024年广西大学生人工智能设计大赛一等奖 3D大赛广西龙鼎奖	2024广西人工智能大赛油管巡游赛道省三 2023睿抗机器人大赛物流运输赛道省三 2023robomaster机甲大师超级对抗赛国三 2023蓝桥杯程序设计大赛省二华数杯数学建模省三	2024Robomaster联盟赛团队省三 2023年蓝桥杯省二 2024年全国大学生3D大赛一等奖，2024年广西大学生人工智能设计大赛三等奖	mathcup数学建模三等奖	第五、六届中国国际“互联网＋”生态环境创新创业大赛国家铜奖 2023年广西“第二届大学生环保科普创意”科普组一等奖

尚缺少的条件：

(1).由于项目成员都是全日制本科生，学业和工作比较繁忙，大部分时间都是在校，在实践研究过程中面临着时间和人力成本、物理数据收集等方面的挑战。

(2).团队核心开发成员电脑硬件配置不能很好地支持开发过程中的调试与流畅测试。

解决方法：

首先，我们会积极与指导老师保持密切的沟通，共同探讨项目的整体计划、时

间安排以及实施细节，并在学术观点上不断交换意见，以确保研究工作的顺利进行。

此外，课题组成员将充分利用课余时间，全身心地投入到研究工作中。

我们的课题组成员既有多次获奖以及各类技术实践类型大赛的丰富经验，也具备数据分析、机器人设计调试以及三维建模等多方面的能力。

我们还将利用硬件资源来组件一个优良的软件开发环境，我们将充分发挥各自的优势，相互协作以共同攻克研究难题，努力实现更具功能和实用的项目成果。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	5820.00	用于支持项目以正常稳步进行	1610.00	4210.00
1. 业务费	4220.00	无	610.00	3610.00
（1）计算、分析、测试费	0.00	无	0.00	0.00
（2）能源动力费	180.00	无	90.00	90.00
（3）会议、差旅费	800.00	无	400.00	400.00
（4）文献检索费	240.00	无	120.00	120.00
（5）论文出版费	3000.00	无	0.00	3000.00
2. 仪器设备购置费	1500.00	无	900.00	600.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	100.00	无	100.00	0.00

结束